3.1 Exergi — ett naturvetenskapligt begrepp
På jordens yta pågår ett oerhört komplext samspel mellan olika system. Energi, materia och information strömmar i ständiga flöden genom olika sys- tem på jordens yta. Inom många vetenskaper t ex hydrologi, klimatologi, oceanografi och ekologi försöker man bl a beskriva och förstå delar av dessa system och flöden. Det vore en övermäktig uppgift att fullständigt försöka förstå hur alla dessa system och flöden av energi, materia och information samverkar. I en enkel modell kan man dela upp jordytans alla system i fem olika sfärer, se fig. 3.1.
BIO- SFÄR LITO- SFÄR HYDRO- SFÄR ATMO- SFÄR SOCIO- SFÄR
Figur 3.1 Fem sfärer i inbördes växelverkan.
Atmosfären är det lufthav som omger jorden. Den består i huvudsak av
kväve N2, ca 78%, och syre O2, ca 21%, plus små mängder av andra gaser som
argon Ar, koldioxid CO2, vattenånga H2O och ozon O3. Atmosfären hålls kvar
kring jorden genom tyngdkraften, som bl a bestäms av jordens massa. Hydrosfären består av allt vatten som går i ständiga kretslopp på jorden. Vatten är unikt på jorden då det samtidigt förekommer i både fast-, flytande- och gasform. Vi finner ju både is, vatten och vattenånga vid samma tempera- tur på jorden. Vatten fungerar som en enorm värmereservoar och utjämnar därigenom lokala temperaturvariationer på jorden samt temperaturvaria- tionerna över dygnet. Litosfären är den fasta berggrunden med alla sina mineral. Genom erosion löses dessa ämnen ut och ingår sedan bl a som viktiga näringssalter i vatten. Biosfären utgörs av allt naturligt liv på jorden
och sociosfären består av den moderna människan med alla hennes skapelser.
Växter och djur ryms alltså inom biosfären men byggnader och maskiner tillhör sociosfären. Den s k primitiva människan eller naturfolken och hennes redskap tillhör biosfären medan alltså den industrialiserade män- niskan hör hemma i sociosfären. Alla dessa sfärer påverkar varandra. Några exempel på resultaten av den inbördes påverkan är: luftens syre, sediment, fossila energilager som kol och olja och halten av DDT, PCB och kadmium i biosfären. Atmosfärens innehåll av syre kommer av växternas produktion av syrgas under flera miljarder år i biosfären, vilka också skapat de lager av fossil vi finner i litosfären. Innan växterna fanns således inget syre i atmosfären. Den mänskliga aktiviteten i sociosfären har bl a gett upphov till de naturfrämmande och giftiga ämnen vi numera finner överallt, vilka fram- förallt skadar biosfären. En fortsatt förbränning av fossil som kol, olja och gas leder till att atmosfären successivt återförs till sin ursprungliga sammansätt- ning, vilket för den nu levande naturen innebär död och förintelse. Att elda upp allt fossil skulle innebära att förhållandena vreds tillbaks till år noll, dvs långt innan livet uppstod på jorden. Jordens livskraft är alltså ett resultat av att dessa lager och kontraster bibehålls och kanske t o m ökar istället för att brytas ner genom att utnyttjas som sk naturresurser. Vanföreställningen att dessa lager är naturresurser är således helt felaktig och ett resultat av den förödande inkompetens som råder på detta område.
I fig. 3.2 illustreras påverkan mellan de olika sfärerna som linjer mellan dem. Kommunikationen dem emellan sker genom att de kontraster som uppstår snabbt utjämnas genom att exergi förbrukas i de ständiga strömmar av energi, materia och information som fortgår inom och mellan dessa sfärer. Drivkraften för hela systemet är exergi som flödar in utifrån genom en kosmisk kontrast. Förhållandet illustreras schematiskt i fig. 3.2 nedan.
JORDEN
YM
D
E
N
R
S
O
L
E
N
ENERGI
XERGIE
MAT R AE
I
Exergi från kontrasten solen–rymden driver flöden av energi, materia och information genom sfärerna på jordens yta. Vi ser av figuren att det råder en balans mellan in- och utflödet av energi. Medeltemperaturen på jordytan bestäms bland annat av hur mycket energi som strålar in mot jorden. Energi i form av solljus når jorden, omsätts och strömmar ut i världsrymden som värmestrålning. Flödet av materia är däremot bundet till jorden. Materien transporteras i otaliga kretslopp inom och mellan sfärerna på jorden, fig. 3.1. Omloppstiderna för dessa material-kretslopp kan variera från bråkdelar av sekunder till årmiljarder. Exempel på delar av sådana kretslopp kan vara nervimpulser i en cell och mineralbrytning i ett samhälle. Informationen på jordytan omsätts framförallt av det levande systemet. Dess samlade informa- tionsmängd är större än hela mänsklighetens samlade kunskap. Till och med den enklaste bakterie är långt mer avancerad än hela mänsklighetens sam- lade datorkraft.
Den exergi som når jorden förbrukas så småningom, men på vägen hinner den driva bl a vatten/vindsystemet och livet på jorden. Bara för vattencirkulationen i hydrosfären åtgår ca 7 000 ggr så mycket exergi som vad
människan omsätter i sociosfären. Totalt förångas årligen ca 450 000 km3
vatten för att stiga upp, bilda moln och åter falla ner mot jordytan, varav ca 10 procent över land. På detta sätt skapas ett behagligt klimat på jordytan för växter och djur.
Komplexa strukturer, rika på exergi och kapabla till reproduktion formas via fotosyntesen i biosfären. De gröna växterna tar upp exergin ur solljusen genom fotosyntesen och omvandlar den till kemisk exergi i material, som sedan passerar genom olika näringskedjor. I varje länk förbrukas exergi. Den sista länken utgörs av nedbrytande mikroorganismer, vilka härigenom återför dött organsikt material till växterna i form av näringsämnen, dvs sluter kretsloppet av materia. Den exergi som inte dessa organismer kan utnyttja bildar istället torv eller sediment som naturen med tiden omvandlar till olja och kol. Bestånd i form av levande och dött organiskt material på jorden representerar alltså olika former av lagrad exergi. En bråkdel av solexergin blir också information i det jättelika informationssystem som representeras av biosfären, som i sin tur är bärare av den ekologiska evolution vilken vi själva är en produkt av.
Jordens energibalans (och exergitillskott) kan också illustreras med hjälp av fig. 3.3 nedan. Exergirikt solljus når jorden. En stor del reflekteras direkt som ultraviolett ljus tack vare ozonskiktet i atmosfären och deltar därför inte i omvandlingar på jordytan. Det är detta ljus som skapar de vackra blåskim- rande, men pga luftföroreningarna alltmer gråaktiga, bilderna av jorden vi
vant oss vid sedan människan börjat resa i rymden. I figuren har denna exer- gi utelämnats och det infallande solljuset är alltså nettoflödet av solljus som når själva jordytan. Energin i detta flöde omvandlas på jorden och lämnar sedan jorden som värmestrålning — jordsken. Exergin i solljuset förbrukas däremot på jorden. I figuren illustreras detta som en förändring av vågläng- den mellan det infallande solljuset och den utstrålande värmestrålningen. Den infallande solstrålningen är relativt kortvågig, dvs energirik, och välordnad, dvs intensiv, vilket tillsammantaget gör den mycket exergirikt, se tab. 2.1. Den utstrålande värmestrålningen är däremot långvågig (energifattig) och oordnad (utspridd) och blir således exergifattig, se tab. 2.1.
JORDEN
VÄ
L
RME
STRÅ
N
IN
G
SOLLJUS
Figur 3.3 Kortvågigt solljus in och långvågig värmestrålning ut.
Hela jordklotet kan således betraktas som en väldig maskin som drivs av exergi från solen. Härigenom flödar energi, materia och information inom och mellan system (sfärer) på jordens yta, och liv kan skapas och upprätthål- las. Drivkraften är hela tiden skillnaden i kvalitet mellan ingående synligt solljus och utgående osynlig värmestrålning. (Anledningen till att vi ser bäst i solljus är helt enkelt att naturen skapat ett så effektivt öga som möjligt för att bäst utnyttja solljuset och ge färg åt allt vackert som omger oss — optimera informationsutbytet — helt enkelt.)
För att styra en process, säg en ämnesomsättande sk metabolisk process i en levande organism, längs en bestämd riktning kräv förluster — irreversi- bilitet. En ökad säkerhet i styrningen kan endast uppnås genom en ökad irre- versibilitet, vilket fås till priset av en totalt sett ökad utspridning eller oord- ning av energin — energidissipation, och en ökad exergikonsumtion. En styrning av en process i en bestämd riktning måste härigenom förbruka exer- gi. Livsprocesser och exergi hör således nära samman, vilket bl a studerats av Prigogine et al. {1971}.
I Odums diagrambeskrivning av ekologiska system {Odum 1971, Odum & Odum 1976} spelar energi en fundamental roll vilken torde uppfyllas bättre med hjälp av exergi. Inom ekologin används således exergibegreppet allt oftare. {Herendeen 1989}
Metaboliska processer som äger rum i levande organismer och ekologiska system har sina likheter i mänskliga samhällen. Erfarenhet i beskrivning av naturliga system bör därför vara till stor hjälp vid beskrivning av mänskliga samhällen. I avsn. 3.10 kommer jag därför att behandla detta närmare.
Figur 3.4 illustrerar hur exergiinflödet mot jorden under årmiljarder skapat ordning på jordytan först i form av liv och senare i form av medvetan- de, vilket vi människor representerar. Den samlade exergin intill dess liv
uppstod kan uppskattas till ca 3×1054 bits eller ca 8×1033 J, vilket är astrono-
miska tal som vi saknar möjlighet att föreställa oss. Men resultatet är inte svårt att uppskatta — liv på jorden. Efter ytterligare 2-3 miljarder år uppstår så människan eller snarare mänskligheten eftersom en isolerad människa inte är mycket mer intelligent än många djur. Skillnaden ligger i att människan kan organisera sin intelligens genom att kommunicera med andra männi- skor både i samtiden och genom historien — det är detta som framförallt skiljer oss från djuren. Vi kan säga att medvetandet står för organiserat liv genom vår kultur i form av ett medvetet samarbete. Föreställningen att “ensam är stark” är en inget annat än en myt, snarare gäller att “ensam är död”, åtminstone som människa.